Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống cách ly dao động có độ cứng gần bằng không

Luận án tiến sĩ nghiên cứu hệ thống cách ly dao động có độ cứng gần bằng không, tập trung vào ứng dụng công nghệ tiên tiến trong kiểm soát rung động hiệu quả.

Chuyên ngành

Mechanical Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

doctoral thesis

2022

209
5
0

Phí lưu trữ

55 Point

Mục lục chi tiết

ORIGINALITY STATEMENT

ACKNOWLEDGEMENT

ABSTRACT

1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION

1.1. The necessity of vibration isolation

1.2. The aim of the research

1.3. The problems are needed solutions

1.4. Research scope and object

1.5. Contents of thesis

1.6. Organization of thesis

1.7. The obtained results

1.8. The scientific and application contribution of the thesis

1.9. SUMMARY OF CHAPTER 1

2. CHƯƠNG 2: LITERATURE REVIEWS

2.1. Models of proposed vibration isolation

2.2. Isolated model using Euler spring

2.3. Isolated model featuring quasi-zero stiffness characteristic

2.4. SUMMARY OF CHAPTER 2

3. CHƯƠNG 3: FUNDAMENTAL OF RELATIVE THEORIES

3.1. General structure of rubber bellow

3.2. Mathematical model of the compressed air

3.3. Frictional model of pneumatic cylinder and rubber material

3.4. Frictional model of pneumatic cylinder

3.5. Frictional model of rubber material

3.6. Viscoelastic model of the rubber material

3.7. Normal form method

3.8. Multi scale method

3.9. Runge-kutta method

3.10. Brief introduction of Genetic Algorithm

3.11. SUMMARY OF CHAPTER 3

4. CHƯƠNG 4: QUASI-ZERO STIFFNESS VIBRATION ISOLATOR USING A RUBBER AIR SPRINGS

4.1. Mechanical model of isolator

4.2. Restoring model of a rubber air spring

4.3. Compressed air force

4.4. Model identification and verification results

4.5. Static analysis of the isolator

4.6. Analysis of equilibrium position

4.7. Equation of vibration transmissibility

4.8. Effects of configurative parameters on vibration transmissibility curve

4.9. Influence of pressure ratio on the shape of the amplitude-frequency response curve

4.10. Influence of geometrical parameters on the resonant peak

4.11. Effects of damping on vibration transmissibility curve

4.12. Complex dynamic analysis

4.13. Frequency jump phenomenon

4.14. Dynamic response under random excitation

4.15. Design procedure for obtaining quasi-zero stiffness isolator

4.16. Experimental result and apparatus

4.17. SUMMARY OF CHAPTER 4

5. CHƯƠNG 5: QUASI-ZERO STIFFNESS VIBRATION ISOLATOR USING A PNEUMATIC CYLINDERS

5.1. Model of QSAVIM using a PC

5.2. Pneumatic cylinder with auxiliary chamber

5.3. Stiffness of the modified model

5.4. Stiffness analysis of the LBM and SCM

5.5. Stiffness analysis of the modified model

5.6. The analysis of equilibrium position

5.7. Frequency-amplitude relation

5.8. Stability of the steady state solution

5.9. Transmissibility for force excitation

5.10. Influence of parameters on the force transmitted curve

5.11. Complex dynamic analysis

5.12. SUMMARY OF CHAPTER 5

6. CHƯƠNG 6: CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS

Reference

NOMENCLATURE

LIST OF FIGURES

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống cách ly dao động với độ cứng gần bằng không

Luận án tiến sĩ này tập trung vào nghiên cứu hệ thống cách ly dao động với độ cứng gần bằng không, một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật cơ khí. Hệ thống này được thiết kế để giảm thiểu dao động ở tần số thấp, một vấn đề phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp. Hệ thống cách ly dao động với độ cứng gần bằng không (QZS) được đề xuất như một giải pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất cách ly. Luận án này không chỉ phân tích cơ sở lý thuyết mà còn đưa ra các mô hình thực nghiệm để chứng minh tính khả thi của hệ thống.

1.1. Tầm quan trọng của cách ly dao động

Cách ly dao động là một yêu cầu thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp, từ cơ khí đến xây dựng. Hệ thống cách ly dao động truyền thống thường gặp hạn chế ở tần số thấp, nơi hiệu quả cách ly giảm đáng kể. Nghiên cứu hệ thống với độ cứng gần bằng không hứa hẹn khắc phục nhược điểm này, mang lại hiệu suất cao hơn trong việc giảm thiểu dao động không mong muốn.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận án là phát triển một hệ thống cách ly dao động mới với độ cứng gần bằng không, sử dụng các vật liệu và cơ chế tiên tiến. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích lý thuyết, mô phỏng và thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Luận án cũng đề cập đến các ứng dụng tiềm năng trong kỹ thuật cơ khí và các ngành liên quan.

II. Cơ sở lý thuyết và mô hình hóa hệ thống

Luận án trình bày chi tiết các cơ sở lý thuyết liên quan đến hệ thống cách ly dao động với độ cứng gần bằng không. Các mô hình toán học được phát triển để mô tả hành vi của hệ thống, bao gồm các yếu tố như độ cứng, dao động, và cách ly. Các phương pháp phân tích như phương pháp Runge-Kuttathuật toán di truyền được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế hệ thống.

2.1. Mô hình hóa hệ thống cách ly

Mô hình hóa hệ thống cách ly dao động bao gồm việc phân tích các thành phần chính như lò xo khí nén và cơ chế điều chỉnh độ cứng. Các mô hình này được xây dựng dựa trên các nguyên lý cơ học vật rắnvật liệu tiên tiến. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có khả năng đạt được độ cứng gần bằng không ở trạng thái cân bằng.

2.2. Phân tích động lực học phi tuyến

Phân tích động lực học phi tuyến của hệ thống cho thấy các hiện tượng phức tạp như hiện tượng nhảy tần sốđáp ứng dưới kích thích ngẫu nhiên. Các kết quả này được sử dụng để cải thiện thiết kế hệ thống, đảm bảo hiệu quả cách ly cao trong các điều kiện vận hành khác nhau.

III. Ứng dụng và đánh giá thực tiễn

Luận án không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn đưa ra các ứng dụng thực tiễn của hệ thống cách ly dao động với độ cứng gần bằng không. Các thử nghiệm thực tế được tiến hành để đánh giá hiệu quả của hệ thống trong việc giảm thiểu dao động ở tần số thấp. Kết quả cho thấy hệ thống đề xuất vượt trội so với các mô hình truyền thống.

3.1. Thiết kế và thử nghiệm hệ thống

Thiết kế hệ thống bao gồm các thành phần như lò xo khí nén, cơ chế điều chỉnh độ cứng và các bộ phận hỗ trợ. Các thử nghiệm được thực hiện trên một mô hình thực tế để đo lường hiệu quả cách ly. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống đạt được độ cứng gần bằng không và hiệu quả cách ly cao ở tần số thấp.

3.2. Đánh giá hiệu quả và ứng dụng

Luận án đánh giá hiệu quả của hệ thống thông qua các chỉ số như độ truyền dao độngđáp ứng tần số. Các ứng dụng tiềm năng của hệ thống bao gồm cách ly dao động trong các thiết bị công nghiệp, phương tiện giao thông và các công trình xây dựng. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khívật liệu.

01/03/2025
Luận án tiến sĩ nghiên cứu hệ thống cách ly dao động có độ cứng gần bằng không

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION VO NGOC YEN PHUONG “STUDY ON THE QUASI-ZERO STIFFNESS VIBRATION ISOLATION SYSTEM” MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING MAJOR CODES: 9520103 THE DOCTORAL THESIS Ho Chi Minh City, Oct./ 2022 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION VO NGOC YEN PHUONG “STUDY ON THE QUASI-ZERO STIFFNESS VIBRATION ISOLATION SYSTEM” MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING MAJOR CODES: 9520103 SCIENTIFIC SUPERVISORS: 1. Le Thanh Danh 2. Nguyen Minh Ky 1. Reviewer 3: Ho Chi Minh City, Oct./ 2022 ORIGINALITY STATEMENT “I hereby declare that this submission is my own work, done under the supervision of Assoc.

Le Thanh Danh and Dr. Nguyen Minh Ky and all the best of my knowledge, it contains no illegal materials previously published or written by another person.” Ho Chi Minh City, Oct. 10 th 2022 Vo Ngoc Yen Phuong i ACKNOWLEDGEMENT This dissertation was put down in writing from 2018 to 2021 during my time as a Doctor of Philosophy Candidate at the Mechanical Engineering Faculty at Ho Chi Minh City University of Technology and Education. I would like to express my deep gratitude to Assoc.

Le Thanh Danh for bestowing me the opportunity to take part in his research group as well as for his conscientious instruction as my principal doctoral mentor. Simultaneously, he let me experience my independent study and he always supervised carefully during my research schedule. Besides, I also want to thank Dr. Nguyen Minh Ky from the Faculty of Mechanical Engineering of HCMC University of Technology and Education for his devotion as a co- supervisor for my PhD thesis.

I would like also to acknowledge the National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED, Vietnam) and Ho Chi Minh City University of Technology and Education for their financial assistance throughout my research project. Thanks to their interest, this thesis has been accomplished on time. I am really grateful to my colleagues at Mechanical Engineering Faculty at Industrial University of Ho Chi Minh City for their friendly supports. In addition, I would like to appreciate the lecturers at Mechanical Engineering Faculty at University of Technology and Education for their meaningful assistance.

Finally, I express my thanks to my family, especially my mother, my husband and my two daughters for their emotional encouragement throughout my study. Ho Chi Minh City, Oct. / 2022 Vo Ngoc Yen Phuong ii ABSTRACT The thesis of “Study on the quasi-zero stiffness vibration isolation system” is presented in six chapters. The thesis introduces an innovation quasi -zero stiffness adaptive vibration isolation model (QSAVIM) composed by semicircular CAM-wedge-pneumatic spring mechanism.

One with the positive stiffness including the wedges, the rollers and the two rubber air springs, is used to support the load. The other comprising the semi-circular cams, the rollers and other air springs, whose stiffness is negative, is employed to adjust the system stiffness. In this model, a component which is non-steel elastic element is the pneumatic spring including rubber air spring and pneumatic cylinder are employed respectively in the proposal model. The restoring model of a commercial rubber air spring is analyzed and developed, which is contributed by three factors including compressed air, friction and viscoelasticity of the rubber bellow.

Herein, the nonlinear hysteresis model of the rubber tube is also considered. Then, an experimental rig is set up to identify and verify the parameters of the rubber air spring model. In addition, the friction force of the pneumatic cylinder is also investigated through using virtual prototyping technology. The complex nonlinear dynamic response of the quasi-zero stiffness adaptive vibration isolation model which is a parallel connection between a load bearing mechanism and a stiffness corrected one is realized.

The important feature of the proposed model is that it is easy not only to adjust the stiffness to adapt according to the change of the isolated mass but to improve the isolation effectiveness in low frequency region that is useful in practical application. The studied results show that the effectiveness of the proposed model is much better than the equivalent traditional model. iviii CONTENTS OF THESIS Cover page Page Originality statement.v List of figures .vi List of tables.viii CHAPTER 1: INTRODUCTION……………………………………………………….1 The necessity of vibration isolation……………………………….2 The aim of the research……………………………………………….3 The problems are needed solutions…………………………………….4 Research scope and object…………………………….6 Contents of thesis ……………………………………………………….7 Organization of thesis……………………………………………………14 1.8 The obtained results……………………………………………….9 The scientific and application contribution of the thesis…………….15 SUMMARY OF CHAPTER 1………………………………………….15 CHAPTER 2: LITERATURE REVIEWS ………………………………………………. Models of proposed vibration isolation………………………………….

Isolated model using Euler spring…………………………………. Isolated model featuring quasi-zero stiffness characteristic……….21 SUMMARY OF CHAPTER 2……………………………………………….…38 CHAPTER 3: FUNDAMENTAL OF RELATIVE THEORIES…………………………….2 General structure of rubber bellow…………………………………. Mathematical model of the compressed air………………………………. Frictional model of pneumatic cylinder and rubber material………….

Frictional model of pneumatic cylinder……………………………43 3. Frictional model of rubber material………………………………. Viscoelastic model of the rubber material………………………………. Normal form method……………………………………………………….

Multi scale method……………………………………………………. Runge-kutta method………………………………………………………. Brief introduction of Genetic Algorithm………………………………….53 SUMMARY OF CHAPTER 3………………………………………………….55 CHAPTER 4: QUASI-ZERO STIFFNESS VIBRATION ISOLATOR USING A RUBBER AIR SPRINGS……………………………………………………………………………. Mechanical model of isolator…………………………………………………….

Restoring model of a rubber air spring………………………………….1 Compressed air force………………………………………………. Model identification and verification results……………………. Static analysis of the isolator …………………………………………. Analysis of equilibrium position……………………………….

Equation of vibration transmissibility…………………………. Effects of configurative parameters on vibration transmissibility curve.1 Influence of pressure ratio on the shape of the amplitude-frequency response curve…………………………………………………………88 4.2 Influence of geometrical parameters on the resonant peak…….3 Effects of damping on vibration transmissibility curve……………93 4. Complex dynamic analysis………………………………………………. Frequency jump phenomenon………………………………………95 4.

Dynamic response under random excitation………………. Design procedure for obtaining quasi-zero stiffness isolator………….8 Experimental result and apparatus………………………………….105 SUMMARY OF CHAPTER 4………………………………………………….112 CHAPTER 5: QUASI-ZERO STIFFNESS VIBRATION ISOLATOR USING A PNEUMATIC CYLINDERS………………………………………………………………. Model of QSAVIM using a PC…………………………………………. Pneumatic cylinder with auxiliary chamber………………………….

Stiffness of the modified model……………………………………….4 Stiffness analysis of the LBM and SCM……………………………….5 Stiffness analysis of the modified model………………………………….6 The analysis of equilibrium position…………………………………. Frequency-amplitude relation…………………………………. Stability of the steady state solution………………………………156 5. Transmissibility for force excitation………………………………156 5.

Influence of parameters on the force transmitted curve………. Complex dynamic analysis……………………………………….165 SUMMARY OF CHAPTER 5…………………………………………….…175 CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS ……………………………….………182 Reference………………………………………………………………………………………184 iv NOMENCLATURE Latin letters A Area of the cylinder in m2 Ae Effective area of the rubber air spring in m2 Awh Effective area of the rubber air spring at the working height in m2 Cd Damping coefficient in Ns/m cp Specific heat capacity at constant pressure cv Specific heat capacity at constant volume D Dissipation function d Distance between the base and the DSEP in mm Ek Kinetic Energy in Joule Ep Potential Energy in Joule F Force in N Fair Air compressed force in N Fap Approximate force in N Fc Coulomb friction force in N Ffri Frictional force inside rubber material in N Fst Static friction force in N Fg Gravity force in N Fras Force of rubber air spring in N Fs Restoring force in N Fsf Sliding frictional force between piston and cylinder in N Fvie Viscoelastic force in N FLMB Restoring force of load bearing mechanism in N v FSCM Restoring force of stiffness corrected mechanism in N Fs Restoring force of the QSAVIM in N fe External force in N Gin Mass low rates at inlet in kg/s Gout Mass low rates at outlet in kg/s g Acceleration of gravity in m/s2 Ho Static vertical deformation of the QSAVIM in mm h Height of the cylinder in mm J Cost function Kair Compressed air stiffness in N/m KDSEP Stiffness at the DSEP in N/m KSCM Stiffness of the SCM in N/m KLBM Stiffness of the LBM in N/m mair Mass of the air in the pneumatic working chamber in kg M Mass of the isolated object in kg n Ratio of specific heat capacity. ns Exponent of the Stribeck curve P Pressure in N/m2 Patm Atmosphere pressure in N/m2 Pwh Pressure of the rubber air spring at the working height in N/m2 Pac Pressure of air in the auxiliary chamber Pcy Pressure in pneumatic cylinder Pso Pressure in the cylinder at the initial position v Q Generalized force R Radius of the semicircular cam in mm Rair Gas constant in J/Kg.K r Radius of the roller in mm T Temperature of the air in the pneumatic working chamber in K Ta Displacement transmissibility TF Force Transmissibility u Relative displacement between then center of the cam and DSEP in mm Vr Relative velocity between two contacting surfaces in m/s vs Stribeck velocity in m/s V Volume in m3 Ve Effective volume in m3 Vac Volume of auxiliary chamber Vcy Volume of cylinder Vwh Effective volume of the rubber air spring at the working height in m3 Vd Volume of the cylinder at the working height in m3 x Displacement of one end of the rubber air spring or cylinder in mm xwh Deformation of the rubber air spring at the working height in mm ze Excitation in mm z Absolute displacement of the isolated object in mm Z Absolute vibration amplitude of the isolated object in mm Greek letters α Angle of the wedge in degree ,  Phase angle between u and ze v  Phase angle between z and ze µ Pressure ratio ω Excitation frequency in rad/s ωn Natural frequency in rad/s α ht Heat transfer coefficient a the heat transfer surface area  the viscous friction coefficient,  Damping ratio L Vertical displacement of the load plate Subscripts ac Auxiliary chamber atm Atmosphere cy Cylinder e Excitation ef External force F Force k Kinetic LBM Load bearing mechanism p Potential SCM Stiffness corrected mechanism ras Rubber air spring s Spring sf Sliding force v r Relative vie Viscoelasticity wh Working height Superscripts -or  Dimensionless quantity  Time derivative  Dimensionless time derivative v LIST OF FIGURES Fig. A conventional vibration isolation system [4] 17 Fig.

The transmissibility curve of the conventional vibration isolation 18 system Fig. A model of low frequency vibration isolation [5] 19 Fig. A QZS vibration isolation model for low frequency in vertical 20 direction [6] Fig. A simple structure for mounting and constraining Euler springs [7] 20 Fig.

A QZS vibration isolation model for low frequency [8] 21 Fig. Dynamical model with low frequency comprising a vertical and a 22 pair of oblique springs Fig. Simple model of a nonlinear isolator that behaves as a Duffing 22 oscillator at low amplitudes of excitation Fig. Scheme of QZS vibration isolator 23 Fig.

Proposed isolation system using Euler buckled beams with bar 23 connected to the seat and (b) detailed part of the seat. Schematic model of Quasi-zero stiffness isolator with Coulomb 24 Damping. Simplified mechanical analysis model of the five-spring QZS 24 vibration isolator (this position is just the static equilibrium position) Fig. Mechanism of the proposed translational-rotational QZS structure: 25 (a) the initial condition, (b) with force and moment applied Fig.

Three-dimensional vibration isolation diagram: (1) base, (2) 25 support column, (3) a skateboard, (4) a connecting rod, (5) stage, (6) vertical springs, (7) slider, and (8) tension spring; (b) 3D- vi modeling of the vibration isolator: (9) isolated objects and (10) rollers Fig. A QZS vibration isolation model for low frequency as designed in 26 [19-20] Fig. Vibration isolator with time delayed active control strategy [21] 27 Fig. (a) Schematic diagram of local resonant sandwich plate; (b) The 28 unit cell of the spring mass system; (c) Two degrees of freedom „spring-mass‟ model of the plate-type elastic metamaterial.

Design of toe-like vibration isolator for vibration isolation in 28 vertical direction inspired by the toe. Bionic model of a variable stiffness vibration isolated joint [24] 29 Fig. The model of the GAS isolator. (a) Schematic diagram of the GAS 29 isolator Fig.

Stewart vibration isolator 30 Fig. Isolated model proposed by Y. Zheng et al. Configuration of MNSI based on Maxwell magnetic normal stress.

31 (a) Cross-section view of isolator; (b) Configuration of excitation mechanism Fig.24 Configuration of isolator designed by [29] 31 Schematic diagram of the multi-direction isolator.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận án tiến sĩ mang tiêu đề "Nghiên cứu hệ thống cách ly dao động với độ cứng gần bằng không" tập trung vào việc phát triển và tối ưu hóa các hệ thống cách ly dao động, nhằm giảm thiểu tác động của rung động đến các thiết bị nhạy cảm. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các nguyên lý cơ bản của cách ly dao động mà còn trình bày các ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp, giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của thiết bị. Độc giả sẽ tìm thấy những lợi ích thiết thực từ việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu này, từ đó nâng cao khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau.

Để mở rộng thêm kiến thức về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ bề mặt trong điều kiện khắc nghiệt, bạn có thể tham khảo tài liệu Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phun phủ hvof đến chất lượng lớp phủ bề mặt chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt. Tài liệu này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các yếu tố công nghệ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của các hệ thống cách ly dao động.